Маркони первый применил на практике Герцовские волны1) для передачи знаков Морзе. Он пользовался для этого по модели Герца электрическими искрами.
Один из искровых электродов индуктора он соединял с воздушным проводом или антенной, а другой с землей. При проскакивании искры происходит сильное излучение энергии, приток же энергии при этом сравнительно не велик, т. к. паузы между проскакиванием отдельных искр сравнительно велики, поэтому получаемые таким образом волны оказываются сильно затухающими.
Фердинанд Браун изобрел замкнутую колебательную цепь, из которой передается колебательная энергия в воздушный провод. Рис. 7 представляет колебательную цепь, состоящую из искрового промежутка F, конденсатора С и катушки самоиндукции L. Искровый промежуток должен был питаться или искровым индуктором или электрической машиной (не показаны на рис.). Для того, чтобы понять электрический процесс в этой колебательной цепи при перескакивании от искр, рассмотрим сначала устройство и способ действия конденсатора и катушки самоиндукции.
Конденсатор, обычным видом которого является лейденская банка, состоит из двух металлических пластин, которые разделены друг от друга непроводящим слоем (напр., воздухом, маслом, слюдой, стеклом, бумагой и пр.), так-называемым диэлектриком. На рис. 7 показаны металлические пластины 1 и 2, называемые обкладками конденсатора. Конденсатор обладает свойством удерживать подведенное к нему из какого-либо источника электричество. Если соединить одну обкладку, напр., с положительным, а другую с отрицательным полюсом этого источника электричества, то первая обкладка будет заряжаться положительно и вторая отрицательно, и оба электричества притягивают друг друга через непроводящий слой. Говорят, что конденсатор при этом заряжен. Количество электричества, принятое конденсатором, или «заряд» его равен напряжению тока умноженному на некоторую величину, зависящую только от рода и формы конденсатора и называемую «емкостью» конденсатора. Для того, чтобы менять емкость, пользуются в радиотелеграфии исключительно конденсаторами, обкладки которых могут быть сдвинуты одна относительно другой. Рис. 8 показывает внутреннее устройство двух регулируемых конденсаторов и справа остов корпуса их. Вместо одной пластины в них имеются по несколько пластин, вращающихся на оси. Сумма всех неподвижных пластин представляет из себя одну обкладку, а сумма всех вращающихся пластин конденсатора — другую обкладку. При вращении подвижных пластин с помощью показанной наверху кнопки можно установить желаемую емкость, так как чем глубже вдвигаются подвижные пластины в промежутки между неподвижными пластинами, тем больше будет емкость конденсатора. Вращающаяся кнопка соединена с скользящим на шкале указателем, с помощью которого можно прочесть значение емкости. Мерой емкости в радиотелеграфии служит сантиметр, что нельзя смешивать с мерой длины. На рис. 7 показано условное обозначение конденсатора с переменной емкостью — две параллельных прямых пересекаемых стрелкою, принятое в радиотехнике. Неизменяемые или, как это говорится, постоянные конденсаторы обозначаются двумя параллельными линиями без пересекающей их стрелки. При перескакивании под действием индуктора искр между обоими шариками промежутка F конденсатор С заряжается и разряжается. Одна из его обкладок, напр., 1, будет при этом иметь положительный, а другая — 2 — отрицательный заряд. Искровой разряд не представляет собой однократного разряда в одном направлении, но является, как это было установлено фотографированием электрических искр, разрядом, происходящим колебательно взад и вперед, или, как говорят, колебательным разрядом, причем мельчайшие частицы отрицательного электричества, так-называемые электроны переносятся между шарами искрового промежутка, пока не достигнут равнодействующего состояния. Подобное явление происходит и в конденсаторе С, который последовательно то разряжается, то заряжается, при этом меняется знак электрического заряда каждой из его обкладок с + на — и обратно. Таким образом колебательный разряд, наблюдаемый в искровом промежутке, проходит равным образом и через конденсатор. Очевидно, конденсатор, что крайне важно для общего понимания радиотехники, не представляет препятствий для прохождения сквозь него колебаний или переменного тока соответствующей частоты.
Какую роль теперь играет катушка самоиндукции в колебательной цепи? Эта катушка состоит из одной изолированной проволоки, навитой спиральнообразно и образующей цилиндр. (Катушки, намотанные в виде плоских спиралей называются плоскими). Очень употребительны в Америке катушки, имеющие обмотку сотообразной формы.
Катушка L по рис. 7 представляет простую многовитковую цилиндрическую катушку, самоиндукция которой переменна, что обозначается стрелкой.
Катушки с неизменной самоиндукцией обозначаются без стрелки. Для ясности рисуют катушки самоиндукции в виде спиралей, а сопротивления изображают зигзагообразной линией.
Изменения самоиндукции проще всего достигаются тем, что включают большее или меньшее число витков или посредством штепселей (изменение скачками), или посредством скользящего контакта (непрерывное изменение). Чем больше витков, т.-е. чем «длиннее» катушка, тем больше ее самоиндукция.
Для об'яснения способа действия катушки самоиндукции, будем исходить из явлений электрической индукции. Происходящие от электрических искр в F колебания действуют на катушку подобно коротким ударам переменного тока. Такие электрические токи вызывают вследствие индукции в соседних катушках, как известно, также переменные токи. Допустим, что катушка L рис. 9 действует на другую катушку L1, и назовем протекающий в L переменный ток первичным или индуцирующим током, а возбужденный в L1 вторичным или индуцируемым. При обсуждении вопроса о связи колебательных цепей мы вернемся к этому еще раз.
Катушка L влияет также и сама на себя, индуцирует сама в себе токи, потому что если в каком-либо витке ее происходит изменение силовых линий, то это изменение в ее же соседних витках вызывает явления индукции. Таким образом, в различных витках катушки L происходят токи различного направления, которые затрудняют и изменяют первичный ток. Явление, при котором проволочная катушка в своих собственных витках возбуждает электродвижущую силу, называется самоиндукцией. Она увеличивается, как об этом уже сказано, с длиной катушки и числом витков. Самоиндукция катушки L действует таким образом замедляя заряд и разряд конденсатора.
К колебательной цепи, таким образом, принадлежат емкость и самоиндукция (которые при употреблении не обязательно бывают изменяемыми). Энергия к ней при передаточной установке поступает от индуктора машины высокой частоты, дуги или катодной ламиы, которые включаются в цепь или непосредственно, или соединяются посредством двух катушек в указанном виде. На цепи приемного аппарата действует приходящая через излучение через пространство колебательная энергия передатчика.
Обе величины — емкость и самоиндукция — вполне определяют частоту колебаний или длину их волны, которая, как мы видели, обратно пропорциональна частоте колебаний. Чем больше емкость и самоиндукция, тем больше и длина волны колебания. Обозначим длину волны через λ, самоиндукцию попрежнему через L и емкость через С, тогда по формуле Томсона
где λ выражено в метрах, а LC — в сантиметрах. Для 2π можно взять практически 6,2 (к этому надо прибавить, что емкость измеряется также в микрофарадах, а самоиндукция в Генри). Обе эти меры для радиотехники таковы: 1 см. самоиндукции = 0.000.000.001 Генри и 1 см. емкости = 0.000.001.11 микрофарад. Если, напр., в колебательной цепи желают достигнуть длины волны λ = 1.000 м., то надо установить, как это легко можно будет вычислить по вышеуказанному уравнению, емкость регулируемого конденсатора на 5.200 см., самоиндукцию катушки на 50.000 см. По приведенной выше формуле легко, зная одну величину (С или L), определить другую. Напр., для достижения длины волны 620 м. при катушке, самоиндукция которой L = 10.000 см., необходимо регулируемый конденсатор поставить на емкость С = 10.000 см.
На практике обыкновенно даются таблицы, по которым можно получить требуемые значения одной из трех величин по двум другим.
При радиотелеграфных приемных аппаратах обычно одна из обеих величин L и С является всегда постоянной, а другую во время пользования аппаратом меняют.
Самая установка конденсатора или катушки самоиндукции очень проста и не требует никаких математических вычислений, так как, будучи произведена правильно, она обнаруживается по силе получаемого звука (с этим мы встретимся ниже). При приемном аппарате для коротких волн можно обойтись иногда совершенно без настраивающего конденсатора, так как подводящие провода и пр. сами обладают достаточной емкостью. В этом случае для регулироварня длины волны служит катушка переменной самоиндукции или так-называемый вариометр.
Конденсатор и катушки действуют, таким образом, как регулятор длины волны на подобие маятника часов. Подобно тому, как при передвигании груза маятника изменяется время качания его, так же и здесь можно регулировать длину волны посредством изменения емкости или самоиндукции или обеих их вместе.
Электромагнитные колебания имеют, как мы уже знаем, стремление распространяться в форме герцовских волн в пространство, однако, условия замкнутой колебательной цепи не благоприятны для излучения волн, потому что здесь электромагнитные явления происходят главным образом непосредственно вблизи конденсатора и о распространении их на расстояние не может быть речи. Чтобы получить заметное излучение энергии, надо соединить или, как говорят, связать замкнутую колебательную цепь с указанным воздушным проводом — антенной, которая называется также открытой колебательной цепью.
Антенна, следовательно, есть устройство, которое воспринимает возбужденные в замкнутой цепи колебания, чтобы излучить их в пространство. Там они распространяются как электромагнитные волны в эфире. Электромагнитные волны распространяются от антенны во все стороны, после чего посредством подобного же воздушного провода улавливаются и подводятся к приемному аппарату. Вследствие своего свойства излучать волны в пространство, антенна часто называется «излучающим проводом». Антенна одним своим концом тянется свободно в пространство, в то время как другой конец ее у основания, как об этом еще будет говориться, заземлен.
Соединение замкнутой колебательной цепи с антенной таким образом делает возможным излучение возникающих в цепи колебаний. Оно осуществляется путем использования описанного выше индукционного воздействия одной катушки на другую, соседнюю. Рис. 9 показывает это устройство.
Колебания замкнутой цепи I передаются катушкой L через индукцию на катушку L1 цепи II (цепи антенны). Смотря по числу и взаимному расстоянию участвующих в передаче витков, эти колебания передаются сильнее или слабее, или, как это говорят, связь будет больше или меньше. Чем больше число витков и меньше расстояние катушек друг от друга, тем сильнее связь цепей; в противоположном случае называют связь слабой. Часто обе катушки изготовляют в виде плоских спиралей, соединенных между собой шарниром. Вращая одну или обе катушки, можно изменить угол, образуемый поверхностями катушек. Чем этот угол будет меньше, тем сильнее оказывается связь; связь будет наибольшая при параллельном положении поверхностей катушек и наименьшая, если поверхности будут стоять друг к другу перпендикулярно. Можно катушки намотать в виде кольца и так расположить, что меньшая будет вращаться внутри большей, при этом опять с изменением угла между плоскостями катушек будет меняться величина связи. Катушки указанных двух типов называются вариометрами.
Изображенная на рис. 9 связь называется индуктивной, так как передача колебаний происходит из одной в другую цепь только через индукцию. Если существует только одна общая катушка для связи, как это представлено на рис. 10, то колебания будут передаваться непосредственно из одной цепи в другую. Такая связь называется кондуктивной. Самоиндукция катушки L может быть изменена, как уже об этом выше упомянуто, плавно или скачками. Чем больше витков катушки L входит одновременно в ту или другую цепь, тем сильнее связь. Такую же связь можно получить посредством вариометра, соединив конец одной катушки с началом другой, т.-е. включив их последовательно.
Настройка. Антенна также является колебательной цепью, потому что она содержит самоиндукцию и емкость.
Прямо натянутая проволока обладает, правда, незначительной самоиндукцией, но к ней присоединяется самоиндукция включенной последовательно с антенной катушки связи. Кроме того, можно включить в антенну еще особую самоиндукционную катушку, посредством которой будет регулироваться самоиндукция скачками или плавно. Для этого хорошо подходит вариометр, называемый тогда антенным вариометром. Так как подобная катушка так действует, как если бы антенна была удлинена, то она иначе называется удлинительной катушкой. Натянутая горизонтально над поверхностью земли антенна образует как бы род конденсатора. Одной обкладкой служит провод, второй — поверхность земли; находящийся между ними воздушный слой является диэлектриком.
Для регулировки емкости антенны можно присоединить к ней конденсатор, включаемый последовательно, т.-е. так, чтобы проходящий в цепи антенны ток проходил сначала через антенну, потом через конденсатор и, наконец, шел в заземленный провод.
От такого включения уменьшается емкость антенны, потому что, как известно, два друг за другом включенных конденсатора имеют менее значительную емкость, нежели каждый из них в отдельности.
Благодаря такому включению конденсатора в цепь антенны, длина волны ее будет уменьшена, как будто бы уменьшилась ее длина, поэтому такой конденсатор носит название укорачивающего конденсатора.
Таким образом, мы можем регулировать длину волны антенны с помощью добавочных самоиндукции и емкости.
Во второй главе мы говорили, что при звуковых колебаниях наилучшая передача энергии достигается при резонансе, т.-е. если приходящее в колебание тело имеет ту же самую собственную частоту, как и возбуждающее его колебание (струна или камертон). То же самое имеет место и при электромагнитных колебаниях. Частота, или что равносильно, длина волны должна быть одинаковой величины в цепи I и II (рис. 9 и 10), для того, чтобы достигнуть максимума передачи колебательной энергии. Обе цепи должны быть, следовательно, описанным выше способом (посредством регулирования емкости и самоиндукции) отрегулированы на одну и ту же длину волны, т.-е., иначе говоря, должны быть друг на друга настроены.
После настройки цепей I и II или лучше одновременно с этим, связывают их. Так как самоиндукция через установку связи может снова измениться в обеих цепях, то поэтому надо будет произвести после этого новую настройку. Таким образом настройка и связывание должны производиться одновременно, что при больших передаточных установках не всегда бывает простым, особенно там, где между цепью генератора и цепью антенны могут быть включены еще посредствующие цепи колебаний, так-называемые промежуточные цели. При малых передаточных установках катушка для электромагнитной связи иногда служит как настраивающая катушка, что сильно упрощает регулирование длины волны.
Возбуждаемые в антенне с установленной длиной волны колебания излучаются антенной, распространяются в виде электромагнитных волн в пространство и улавливаются приемной антенной, после чего подводятся в приемный аппарат. Приемная антенна не отличается в своих существенных чертах чем-либо от передаточной антенны.
Соединение приемной антенны с аппаратами на станции происходит в своей основе так же, как и при отправительной антенне. Приемная антенна связывается с замкнутой колебательной цепью также индуктивно или прямо по тем же точно соображениям, как и при передаточной антенне. Включение образует таким образом зеркальное отражение рис. 9 и 10, но вместо искрового промежутка включается какой-либо из описанных ниже приемных аппаратов (детектор, телефонная трубка и пр.).
Колебательные цепи приемника (антенна, приемная цепь и иногда промежуточная цепь) так же, как и у отправителя, должны быть точно настроены друг с другом и связаны; при этом они должны быть настроены на длину волны того передатчика, от которого желают принимать. Приемная антенна по указанному закону резонанса воспринимает лучше всего такую волну, на длину которой она была настроена. Вся цепь приемника таким образом должна быть настроена на длину волны передаточного аппарата. Это производится очень просто, обычно посредством регулирования одной рукояткой, которой одновременно регулируются настройка и связь. Иногда существуют две рукоятки, одна для грубого настраивания и другая для точного. Устройства аппаратов для настраивания будут об'яснены ниже при изучении различных приборов.
1) Еще ранее Маркони это сделал русский ученый А. С. Попов. Прим. ред.
